风漂移系数对海上溢油扩展漂移影响的数值模拟

胡 田， 潘家琳

(中海环境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

根据国际油轮船东防污染联合会(International Tanker Owners Pollution Federation，ITPOF)对全球发生的船舶溢油事故的统计，1970—2021年仅泄漏量超过7 t的油船泄漏事故就发生约1 854起，其中有1/4的溢油事故的油品泄漏量超过700 t，平均每年约发生36起，油品泄漏量少于7 t的溢油事故更是超过了10 000起。随着我国港口码头货物吞吐量的不断增加，一旦船舶发生溢油事故，会给海洋的生态环境带来不可估量的损害。因此，建立海上溢油数学模型，科学合理地模拟海上溢油事故的油膜轨迹分布范围，对于科学地制订海上溢油事故应急处置方案和有效降低溢油事故对海洋生态环境的影响而言具有重要意义。

海上溢油事故发生之后，油膜的扩展漂移主要受潮流场与风场的共同影响，其中风场是油膜扩展漂移的一个重要影响因素。目前，国内外已提出不少关于海上溢油扩展漂移的理论模式，这些模式中由风引起的漂移速率一般为风速的1%～5%，称为风漂移系数，属于经验系数，多数以海面上10 m高处风速的3%作为漂移速度。20世纪80年代以来，我国一些学者利用物理模型和数学模型开展了风漂移系数取值大小的探讨，以及风漂移系数对油膜扩展漂移的影响的研究。杜完成等通过在珠江口唐家湾开展海上石油漂移扩散试验得出，唐家湾海域的风漂移系数平均值为0.027。季荣等通过在实验室开展溢油漂移模拟发现，当风速小于10 m/s时，风速引起的胜利油田原油漂移速率约为风速的2%。郭运武等通过在实验室开展水槽溢油试验，分析了风场对河道溢油扩展和漂移的影响，结果表明，风速的变化对连续性溢油油膜纵向扩展尺度的影响较大，扩展尺度随风速的增加而增大，但对瞬时溢油油膜纵向扩展尺度的影响较小。吴晓丹等利用油膜椭圆扩展模型构建了溢油扩展油膜厚度与海洋环境条件和溢油性质的定量关系，研究认为风速是对油膜厚度影响最大的因素，风速越大，越有利于油膜迁移扩展，油膜厚度越小。匡翠萍等利用Delft3D软件建立了蓬莱19-3溢油事故模型并进行了数值模拟，结果表明，潮流对溢油漂移的作用不及风场，蓬莱19-3溢油事故模拟中的风漂移系数的合理取值范围为1.4%～2.3%。以往的研究多采用物理模型分析风漂移系数对溢油的影响，已有的海上溢油模型选取的风漂移系数基本上都是经验值，很少对风漂移系数对油膜漂移扩展的影响进行定量分析。

本文以营口港海域溢油事故为例，采用数值模拟的方法，在已有的水动力模型的基础上，利用MIKE21 OS耦合建立海上溢油模型，选取具有代表性的风漂移系数条件下的溢油泄漏事故进行模拟预测，定量分析风漂移系数对油膜扩展漂移面积和扩展漂移距离的影响规律，为合理预测油膜可能影响海洋生态环境保护目标的时间和影响范围提供参考。

1 溢油模型建立

本文采用MIKE21 HD模块构建平面二维水动力模型，在该水动力模型的基础上，耦合MIKE21 OS模块，建立营口港海域海上溢油模型。MIKE21 OS模块采用“油粒子”模式，对油膜的输移和风化等过程进行模拟，从而模拟预测油膜的漂移轨迹、扩展漂移面积、扩展漂移距离和厚度的变化等。溢油进入水体之后发生扩展、漂移和扩散等油膜组分保持恒定的输移过程，以及蒸发、溶解和乳化等油膜组分发生变化的风化过程。

1.1 扩展运动

油膜扩展表示为

(1)

式(1)中：为油粒子与水面作用之后的油膜面积，=π，为油膜直径；为时间；为变化率常数；为油体积。

1.2 漂移运动

油粒子在水面的漂移受水流推移和风力的影响，总漂移速度为

=+··sin(-π+)

(2)

=+··cos(-π+)

(3)

式(2)和式(3)中：和分别为油粒子在方向和方向的对流移动分速度；和分别为方向和方向的表面流速分速度；为风漂移系数；为风向角；为水面上10 m处的风速；为风偏转角。

1.3 紊动扩散

油膜受到强风、流场和紊动的影响扩散进入水体，波浪的破碎使油滴进入水体，油从水面到水体的紊动扩散为

=05707Δ

(4)

式(4)中：为夹带系数；为消散波能；为水面被油覆盖的分数(每个粒子附近假设为1)；为单位时间(每秒)内水面被破碎波的覆盖分数；为油滴的平均直径；Δ为油滴尺寸间距。

1.4 风化过程

油粒子的风化过程主要包括蒸发、溶解和乳化等过程。

1) 蒸发。油中组分较轻的部分会蒸发到大气中，油膜蒸发主要受油组分、太阳辐射、气温、水温、风速、油膜面积和厚度等因素的影响。

蒸发率表示为

(5)

式(5)中：为蒸发率；为质量传输系数；为每个粒子与水面作用之后的油膜面积；为蒸汽压；为温度；为气体常数；为分子量；为蒸发系数。

2) 溶解。轻、重组分的溶解过程的计算公式为

DISS_volatile=····

(6)

DISS_heavy=····

(7)

式(6)～式(7)中：、、和分别为轻组分的溶解率、油粒子质量、密度和水溶解度；、、和分别为重组分的溶解率、油粒子质量、密度和水溶解度;为每个与水面接触的粒子的油膜面积；为化学分散剂效果，溶解能力的提高。

3) 乳化。乳化指油与水混合之后形成的乳化物，一般在强风或波浪的条件溢油几个小时之后发生。乳化过程可表示为

(8)

=-·

(9)

式(8)和式(9)中：为吸收速率；为释放速率；含水率；最大含水率；为风速；为乳化率常数；为水释放率。

1.5 计算区域

本文以营口港海域溢油事故为例进行分析。营口港位于辽东半岛中部，面临渤海辽东湾，计算区域为营口港区及其周边海域，以长兴岛—秦皇岛为开边界的辽东湾海域，模型计算范围东西方向长约230 km，南北方向长约160 km，模型的地形、水深和岸边界主要根据中国人民解放军海军航海保证部制作的海图确定。模型采用三角形网格对整个计算区域进行划分，为提高模拟的精度，采用嵌套网格对营口港和溢油事故发生区域进行局部加密，在计算区域共计生成21 515个计算节点，40 915个网格。本文所述计算模型的海区开边界水位根据长兴岛和秦皇岛2个潮位站点的潮汐表水位资料选取，辽河口开边界水位根据实测水位资料选取，模型计算区域网格划分图见图1。

图1 模型计算区域网格划分图

1.6 预测方案

本文模拟计算的海上溢油事故发生在营口港海域，油品泄漏点选择易发生事故的仙人岛港区航道与鲅鱼圈港区航道交汇处，按5万吨级原油运输船的单个货油边舱全部发生泄漏计算，舱容参考《水上溢油环境风险评估技术导则》(JT/T 1143—2017)附录C选取，确定油品泄漏量约为5 300 t，溢油方式选择固定点源连续性溢油，油品选择原油，密度取890 kg/m。基于前述国内外研究成果和已有的溢油模型经验值，选取具有代表性的2种情况，即风漂移系数为0.02和0.03；鉴于辽东湾涨落潮流以NE至SW方向为主，风向选取与营口港海域涨落潮流轴线方向基本垂直和一致的SE和NE方向，风速取5 m/s。溢油时刻选取落潮和涨潮2个时刻，共得到8个环境风险预测组合方案，具体溢油模型预测方案见表1。

表1 溢油模型预测方案

2 模拟结果及分析

为定量分析各时刻的模拟结果，本文所述溢油模型的模拟时间取72 h，分别计算在SE风向和NE风向条件下，溢油事故发生24 h、48 h和72 h之后的油膜扩展漂移面积和扩展漂移距离，比较2种风漂移系数下溢油的扩展漂移情况。

2.1 对油膜扩展漂移面积的影响分析

图2为不同漂移系数下发生溢油事故之后油膜扩展漂移轨迹和扫海范围分布图。由图2可知：在落潮时发生溢油事故，油膜在横向上随落潮流向WS方向扩展漂移，落潮结束之后随涨潮流向EN方向扩展漂移，油膜在横向上随涨落潮流如此有规律地往复运动；在涨潮时发生溢油事故，油膜在横向上随涨落潮流往复运动的方向与落潮时发生溢油事故的情况刚好相反；在SE风向条件下发生溢油，油膜在纵向上总体向WN方向扩展漂移；在NE风向条件下发生溢油，油膜在纵向上总体向WS方向扩展漂移，即油膜总体扩展漂移方向由风向决定。

a) CW=0.02，SE风向落潮时溢油

b) CW=0.03，SE风向落潮时溢油

c) CW=0.02，SE风向涨潮时溢油

d) CW=0.03，SE风向涨潮时溢油

e) CW=0.02，NE风向落潮时溢油

f) CW=0.03，NE风向落潮时溢油

g) CW=0.02，NE风向涨潮时溢油

h) CW=0.03，NE风向涨潮时溢油图2 不同风漂移系数下发生溢油事故之后油膜扩展漂移轨迹和扫海范围分布图

表2为不同风漂移系数下油膜扩展漂移扫海面积统计。由表2可知：在相同气象条件下，风漂移系数对油膜扩展漂移扫海面积的影响较大，风漂移系数越大，油膜扫海面积越大；在SE风向条件下，当风漂移系数由0.02增大至0.03时，72 h内油膜扩展漂移扫海面积增加量为26.08～153.34 km，增加率为19.76%～36.12%；在NE风向条件下，当风漂移系数由0.02增大至0.03时，72 h内油膜扩展漂移扫海面积增加量为20.87～136.19 km，增加率为20.17%～41.74%。由此可看出：风漂移系数的变化对油膜扩展漂移扫海面积的影响显著；当风漂移系数由0.02增大至0.03时，SE风向条件下72 h内油膜扩展漂移扫海面积增加率为19.76%～36.12%，NE风向条件下72 h内油膜扩展漂移扫海面积增加率为20.17%～41.74%，NE风向条件下的油膜扩展漂移扫海面积增加率比SE风向条件下的大。由此可知，当NE风向与涨落潮流轴线方向一致时，风漂移系数增大对油膜扩展漂移面积的影响比SE风向与涨落潮流轴线方向垂直时的大。同时，结合图2可得出：当风向与涨落潮流轴线方向基本一致时，风漂移系数增大既能促进油膜在横向上的扩展漂移，又能促进油膜在纵向上的扩展漂移，从而大大增大油膜扩展漂移扫海面积和扩展漂移距离；当风向与涨落潮流轴线方向基本垂直时，风漂移系数增大主要促进油膜在纵向上的扩展漂移。

表2 不同风漂移系数下油膜扩展漂移扫海面积统计

2.2 对油膜扩展漂移距离的影响分析

由图2可知：风漂移系数为0.03时的油膜扩展漂移距离明显比风漂移系数为0.02时的油膜扩展漂移距离远。在SE风向条件下，当风向与涨落潮流轴线方向垂直时，风漂移系数增大主要增加油膜在纵向上的扩展漂移距离，油膜在横向上的扩展漂移距离增加不明显；在NE风向条件下，当风向与涨落潮流轴线方向一致时，随着风漂移系数的增大，油膜在横向上和纵向上的扩展漂移距离均明显增加。

表3为不同风飘移系数条件下的油膜扩展漂移距离统计。

表3 不同风飘移系数下的油膜扩展漂移距离统计

由表3可知：在SE风向条件下，当风漂移系数由0.02增大至0.03时，72 h内油膜扩展漂移距离增加量为4.5～13.1 km，增加率为47.22%～52.94%；在NE风向条件下，当风漂移系数由0.02增大至0.03时，72 h内油膜扩展漂移距离增加量为4.2～13.8 km，增加率为42.16%～58.67%。由此可知：风漂移系数的变化对不同风向条件下的油膜扩展漂移距离均有明显的影响，随着风漂移系数由0.02增大至0.03，油膜扩展漂移距离明显增加；在SE或NE风向条件下，涨潮时溢油之后的油膜漂移距离增加率均比落潮时大，即风漂移系数的变化对涨潮时溢油之后的油膜扩展漂移距离的影响更大。

在同一气象条件下，对比溢油发生24 h、48 h和72 h之后油膜扩展漂移距离增加量，可看出其基本上呈现等量递增的规律，在油膜到达岸边之前，风场促进油膜扩展漂移的作用基本保持一致。

3 结 语

本文利用MIKE21 HD模块建立了营口港海域水动力模型，在此基础上利用MIKE21 OS溢油模块预测分析了风漂移系数对海上溢油扩展漂移面积和扩展漂移距离的影响规律，结果表明：

1) 风漂移系数是海上溢油事故发生之后影响油膜扩展漂移面积和扩展漂移距离的重要因素，当风漂移系数由0.02增大至0.03时，油膜扩展漂移扫海面积和扩展漂移距离均显著增大，其中油膜扩展漂移扫海面积增加量和增加率在72 h内最大分别达到153.34 km和41.74%，油膜扩展漂移距离增加量和增加率在72 h内最大分别达到13.8 km和58.67%。

2) 当风向与涨落潮流轴线方向基本一致时，风漂移系数增大既能促进油膜在横向上的扩展漂移，又能促进油膜在纵向上的扩展漂移，从而大大增大油膜扩展漂移扫海面积和扩展漂移距离；当风向与涨落潮流轴线方向基本垂直时，风漂移系数增大主要促进油膜在纵向上的扩展漂移。在SE风向或NE风向条件下，涨潮时溢油之后的油膜漂移距离增加率均比落潮时大，风漂移系数的变化对涨潮时溢油之后的油膜扩展漂移距离的影响更大。因此，风漂移系数的选取对于海上溢油数值模拟中的油膜扩展漂移扫海面积和扩展漂移位置距离预测而言至关重要。